[논문 리뷰] Multi-programming Cross Platform Benchmarking for Quantum Computing Hardware

Siyuan Niu, Aida Todri‐Sanial|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 07.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초전도체(IBM) 및 트랩된 이온(Quantinuum) 플랫폼에서 양자 하드웨어 활용도를 평가하기 위해 다중 프로그램 벤치마킹을 도입한다. 병렬로 여러 회로를 실행함으로써 연구는 초전도체 장치와 달리 트랩된 이온 장치가 품질 손실 없이 유지됨을 발견하였으며, 실행 비용을 최대 31% 감소시켰다. 이는 다중 프로그래밍에 있어 훨씬 더 우수한 적합성을 보여준다.

ABSTRACT

With the rapid development of quantum hardware technologies, benchmarking the performance of quantum computers has become attractive. In this paper, we propose a new aspect of benchmarking quantum computers by evaluating the limitation of hardware utilization using a multi-programming mechanism -- a technique that simultaneously executes multiple circuits in a quantum machine. This is the first attempt to compare the evaluation of multi-programming on trapped-ion and superconducting devices. Based on the experimental results, performing multi-programming on a trapped-ion device demonstrates better results than a superconducting machine without losing any fidelity to independent executions.

연구 동기 및 목표

• NISQ 시대의 양자 컴퓨터에서 하드웨어 활용 효율성을 다중 프로그래밍을 통해 평가하기 위해.
• 초전도체(IBM) 및 트랩된 이온(Quantinuum) 양자 프로세서에서 다중 프로그래밍의 품질과 성능을 비교하기 위해.
• 다중 프로그래밍이 교차 간섭 또는 자원 경쟁으로 인해 품질 손실을 유발하는지 조사하기 위해.
• 실제 양자 하드웨어에서 병렬 회로 실행으로 인한 비용 절감과 실행 시간 향상을 평가하기 위해.
• 다양한 양자 하드웨어 플랫폼 간 다중 프로그래밍의 가능성과 이점을 규명하기 위해.

제안 방법

• IBM ibmq_mumbai(27 큐비트 초전도체) 및 Quantinuum H1-2(12 큐비트 트랩된 이온) 장치에서 두 개의 작은 양자 회로를 병렬로 실행하였다.
• 단독 실행 및 동시 실행 모드에서의 회로 품질을 정량화하기 위해 성공 시도 확률(PST) 지표를 사용하였다.
• IBM 하드웨어에 QuMC 다중 프로그래밍 알고리즘을 적용하고, Qiskit 트랜스파일러를 최대 최적화 수준에서 사용하였다.
• 최적화된 안사즈 회로를 사용하여 두 플랫폼에서 QAOA를 병렬로 실행하여 최대 컷 문제 해결을 위해 사용하였다.
• 독립 실행과 동시 실행 간의 품질, 정확한 해의 확률 분포, 실행 예산을 비교하였다.
• 단독 실행 대비 다중 프로그래밍 실행에서 총 샘플 수를 비교하여 비용 절감을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 프로그래밍은 초전도체 및 트랩된 이온 양자 프로세서에서 단독 실행 대비 회로 품질을 떨어뜨리는가?
• RQ2 교차 간섭과 큐비트 연결성 제한은 다양한 양자 하드웨어 플랫폼에서 다중 프로그래밍 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다중 프로그래밍은 품질 손실 없이 실행 비용과 실행 시간을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 트랩된 이온 장치는 모두-대-모두 연결성과 낮은 오류율 덕분에 고품질의 병렬 실행을 유지할 수 있는가?
• RQ5 하드웨어 토폴로지(예: 근접 이웃 대비 모두-대-모두)는 다중 프로그래밍의 가능성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• IBM ibmq_mumbai에서는 동시 실행이 단독 실행 대비 품질을 3.4% 감소시켜, 교차 간섭 또는 자원 경쟁으로 인한 품질 손실을 시사한다.
• Quantinuum H1-2에서는 동시 실행이 단독 실행 대비 0.5% 이내로 품질을 유지하여 품질 손실이 거의 없음을 보여준다.
• Quantinuum H1-2에서의 다중 프로그래밍은 독립 실행 대비 총 예산을 31% 감소시켰으며, 높은 품질을 유지하였다.
• H1-2에서 QAOA를 수행한 결과, 정확한 최대 컷 해의 확률 합계가 단일 실행 시 50%에서 두 병렬 실행 시 64%와 47%로 증가하여 신뢰성 향상을 보였다.
• IBM에서는 정확한 해의 확률 합계가 독립 실행 시 42.5%에서 병렬 실행 시 38.1%와 40.3%로 감소하여 성능 저하가 발생했다.
• 트랩된 이온 장치의 모두-대-모두 연결성과 낮은 오류율(1Q: 0.01%, 2Q: 0.35%) 덕분에 초전도체 하드웨어보다 더 효과적인 다중 프로그래밍이 가능하다.